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1、主板上的专用I/O接口,孙祖希 2002年2月,目录,一、 IDE接口总线 1.1 概况 1.2 IDE接口信号定义 1.3 IDE I/O寄存器接口和命令 1.4 IDE硬盘容量的限制 1.5 PIO 方式时序 1.6 总线主设备（BM）多字 DMA、ULTRA-DMA 1.6.1 BM专用寄存器 1.6.2 多字DMA传送时序 1.6.3 Ultra - DMA数据传输 1.7 加电和硬件复位初始化 1.8 串行ATA（将来的ATA接口） 二、 串口（COM 口 - 通信口） 三、 通用串行总线 3.1 通用串行总线（USB） 的特点 3.2 USB总线拓扑结构 3.3 USB数据传输 3
2、.3.1 USB数据传输格式概略 3.3.2 总线状态和编码方式 3.3.3 数据包的字段 3.3.4 数据包格式,3.3.5 处理（Transaction）的格式 3.3.5.1 同步处理 3.3.5.2 控制传输 3.3.5.3 中断处理 3.3.5.4 批量处理 3.3.6 USB传送的握手 3.4 USB2.0的发展 3.4.1 USB 1.1 to 2.0 未改变的部分 3.4.2 USB2.0的特点 3.4.3 高速协议的扩展 3.4.4. 硬件设计注意点 3.4.4.1 PCB设计注意点 3.4.4.2 EMI/EMD 考虑 3.4.4.3 USB 电缆 四、 并行口（Paral
3、lel Port） 4.1 并口的类型 4.2 并口的信号定义 4.3 并口的I/O端口寄存器 4.4 并口时间关系 4.5 并口损坏原因探讨,ISA 总线 控制器,主存,硬盘驱动器,CPU,CPU- PCI的 主桥,主存,总线主设备 IDE控制器,CPU,硬盘驱动器,IDE接口,IDE接口,PCI总线,一、 IDE接口总线 1.1 概况 IDE(Integrated Disk Electronics)接口初期是基于 PC/AT-ISA总线发展的硬盘接口。将硬盘控制器电路 与驱动器集成在一起，方便硬盘接入PC。 其接口标准为ATA(AT Attachment)。随着数据传输 率的提高、磁盘容量
4、的扩大和新的应用，ATA标准不 断修订。（ATAPI AT Attachment with Packet Interface） ATA-1 1994年 标准硬盘接口；40线；定义基本磁盘控 制命令；定义ID数据块使主机可了解 驱动器特性 ATA-2 1996年 PIO MODE-3、4；DMA MODE-1、2；LBA 512MB；非硬盘设备的支持 ATA-3 1997年 删除单字DMA；SMART-自我监测和报告； 安全模式 ATA/ATAPI-4 1998年 Ultra-DMA33；80线；增加用于 CDROM、LZ120等设备的命令（ATAPI）； 8.4GB ATA/ATAPI-5 2
5、000年 Ultra-DMA66；信号完整性 ATA/ATAPI-6 2001年 Ultra-DMA100 ATA标准晚于硬盘实际的发展 ATA-1开始于1988年，但批准在1994年,PIO方式传命令和数据 DMA方式传数据,Ultra-DMA周期为其数据传送的双周期。 影响硬盘数据传输速度的主要因素： 寻道时间（磁头移动）；扇区等待时间（盘的转达） 驱动器内部电路处理时间；接口数据传输时间。 数据传输率只指接口成组数据传送的最高速率。因此数据传输率提高的效果 不完全反映到硬盘性能测试指标的变化。 ULTRA-DMA数据传输率的提高在多任务多处理流程的操作系统下可充分发挥 作用。,二种数据传
6、送方式： PIO（可编程输入/输出）数据传送：CPU发I/O命令访问硬盘驱动器的控制寄存器和数据寄存器。 DMA（直接存储器访问）数据传送：不通过CPU，主存与硬盘直接相互传送数据。 通过BM（总线主设备）IDE控制器实现这二种传送方式,1.2 IDE接口信号定义,CS1#、CS3#（或标示为CS0#、CS1#）、DA2:0 （O）- 寄存器I/O空间地址选择。DMA方式 CS1#和CS3#必需为高。 DD15:0 （I/O） 数据。传送数据用16位；传送命令/状态用8位 DIOR#/HDMARDY#/HSTROBE （O） 在PIO和DMA方式，作DIOR#（读控制）用于选通输入南桥 的读出
7、数据。在ULTRA-DMA方式，南桥读数据时作HDMARDY#（主系统DMA就绪），为低时通 知驱动器可传送读出数据。传送过程中变高，可暂停传送。南桥写数据时作HSTROBE（主系 统选通），驱动器在HSTROBE上升和下降边接受写入数据。 DIOW#/STOP （O） - 在PIO和DMA方式，作DIOW#（写控制）用于选通输入驱动器的写入数据。 在ULTRA-DMA方式，进入时DMACK#变低后变低，允许传送数据，当南桥BM-主控制器要停止传 送数据时，STOP变高，通知IDE设备。然后DMACK变高。 IORDY/DSTROBE/DDMARDY# （I） 在PIO MODE3和4方式，作
8、IORDY（读/写就绪），当驱动器 未准备好时，用于展宽DIOR#/DIOW#。在ULTRA-DMA方式，南桥写数据时作DDMARDY#（驱动器 DMA就绪），为低时通知南桥可传送写入数据。南桥读数据时作DSTROBE（驱动器选通）， 南桥在DSTROBE上升和下降边接受读出数据。 DMARQ （I） 直接存储器访问请求。IDE设备接受DMA命令后，已准备好接受或发送数据，使 DMARQ变高，通知主系统（南桥）。主系统以DMACK#回答，IDE设备与主系统握手。需要传送 的数据传送完毕，或IDE设备需暂停传送，DMARQ变低。终止传送。 DMACK# （O） - DMA回答。南桥对IDE设备D
9、MA请求的回答。DMACK#为低时可作数据传送。 INTRQ （I） 中断请求。主系统发送命令后，设备选中时3X6h控制寄存器bit3 glen设为0， 执行命令需要中断时，INTRQ发400ns宽的正脉冲。第一IDE口的INTRQ对应于ISA中断INT14， 第二IDE口的INTRQ对应于ISA中断INT15。 RESET# （O）- 硬件复位信号。 PDIAG#/CBLID# -通过诊断测试/电缆类型（80线时，此线不接南桥）设备1和0间连线， 在加电或硬件复位时，通知设备0，设备1通过诊断测试。 DASP# （O）- 运行时表示设备正工作（接硬盘工作灯）。加电时表示 存在设备1。 CSE
10、L（O）- 此线只接设备0。40线，远端接设备1，80线，远端接设备0。 为低时，选设0，为高时选设备1。,1.3 IDE I/O寄存器接口和命令,每个IDE接口用9个字节. 基本接口（P）: 1F0-1F7h, 3F6h； 第二接口（S）: 170-177h, 376h CS1P/S#选1F0-1F7h/170-177h口；CS3P/S#选3F6h/376h口 IDE接口寄存器 I/O接口地址 类型 功能 1F0/170h I/O 数据（16位） 1F1/171h I出错标志寄存器 1F1/171h O写入预补偿, 特别功能（FEATURE） 1F2/172h I/O扇区计数器（写入要传送的
11、扇区数） 1F3/173h I/O扇区号 1F4/174h I/O柱面地址低字节 1F5/175h I/O柱面地址高字节 1F6/176h I/O主/次（Master/Slave）驱动器选择和磁头号 1F7/177h I驱动器状态 1F7/177h O驱动器命令 3F6/376h I bit 7 控制器状态 忙（BSY）（bit 6-0 软驱备用） 3F6/376h O bit 2 软件复位信号；bit 1 n控制所选设备能否插入中断 （新增） 註：此处输入/输出（I/O）从南桥IDE口看。输入南桥为I；南桥输出 为O。,硬盘命令（例）:,命令分类：读出；写入；设置/检查工作模式；初始化、寻道
12、格式化和诊断 命令寄存器值命令 1xh 重新校准（回到0道） 20h 读多个扇区并可重试 30h 写多个扇区并可重试 40h 校验多个扇区并可重试 50h 格式化道 7xh 寻道 90h 驱动器内部诊断测试。结果存出错寄存器 C4h 读多个数据块（几个扇区作为一个数据块不插入中断传送） C5h 写多个数据块 C6h 设置多个数据块传送模式 C8h 可重试的读DMA CAh 可重试的写DMA ECh 读驱动器（硬盘）的ID数据块 EFh 设置特殊功能的启用/停止 在输出命令前,根据需要,先查设备状态,再输入地址(磁头磁道扇区号)及要访问 的扇区数.,PIO方式读扇区命令流程,IDE硬盘容量的限制
13、： BIOS IDE 传统CHS限制值 每道最大扇区数（S） 63 255 63 磁头数（H） 255 16 16 柱面数（C）（道数） 1024 65536 1024 最大容量 8GB 127.5GB 504MB,MB的二种表示： 1MB = 1000000B 1MB = 1024 X 1024 = 1048576B DOS INT13限制值528MB（504MB）,突破504MB限制的方式: 用BIOS（扩展INT13）和硬盘驱动器转换转换 1、Large 方式：用BIOS做物理（受IDE寄存器限制）CHS与逻辑（BIOS数据格式）CHS的直接转换 逻辑磁头数 = 物理磁头数 X 2n ；
14、逻辑柱面数 = 物理柱面数/ 2n （n的值保证 C 1024) 在满足IDE和BIOS的限制下，若每道扇区数为63，则最大容量为8GB。 实际柱面数 实际磁头数 转换柱面数 转换磁头数 最大容量 1 C 1024 1 H 16 C = C H = H 504MB 1024 C 2048 1 H 16 C = C/2 H = H * 2 1GB 2048 C 4096 1 H 16 C = C/4 H = H * 4 2.1GB 4096 C 8192 1 H 16 C = C/8 H = H * 8 4.2GB 8192 C 16384 1 H 16 C = C/16 H = H * 16
15、8.4GB 16384 C 32768 1 H 8 C = C/32 H = H * 32 8.4GB 32768 C 65536 1 H 4 C = C/64 H = H * 64 8.4GB 8192 C 32768 H =16 C = C/15 H = H * 15 8GB 2、LBA 方式:所有扇区按序排列，每个扇区给定唯一的地址。接口不使用物理CHS。输入初始地 址时，4位磁头号寄存器存LBA地址的最高位（LBA27:24；16位柱面地址存LBA地址的字节1 和2。扇区地址存LBA地址的字节0。 LBA地址 = （柱面地址 *每个柱面的磁头数+ 磁头号）* 每条磁道的扇区数 + 扇区
16、号 1F6/176h口的bit 6 为LBA地址与CHS地震预报的标志（LBA地址此位为1） 大于8GB的盘必需用LBA方式,1.4 IDE硬盘容量的限制,PIO方式时序类似于ISA。特别是 MODE 0。以DIOR/W#边沿为参考。 CS1#用于选寄存器1X0-1X7h； CS3#用于选寄存器3X6h。 X=7或F。选中为低电平；未选 为高电平。 IORDY用于产生等待状态。当 DIOR#或DIOW#为低后在PCI CLK 上升边监测到低时使DIOR#或 DIOW#为低的时间延迟一个周期。 南桥输出/输入信号以CLK66的 上升边为参考。,1.5 PIO 方式时序,ATA标准 模式 Mode0 Mode1 Mode2 Mode3
